Elektro-encefalografiemetingen bij wakkere zijdeaapjes die luisteren naar specifieke vocalisaties

Primaten gebruiken soortspecifieke vocalisaties om biologisch belangrijke informatie over te brengen, zoals de emotionele toestand van de beller of de intentie om sociale banden te onderhouden, de aanwezigheid van roofdieren of andere gevaarlijke situaties. Onderzoek naar de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan de perceptie van vocalisatie bij vocale niet-menselijke primaten kan ons cruciale aanwijzingen geven om de evolutionaire oorsprong van menselijke taal beter te begrijpen.

Gewone zijdeaapjes zijn kleine primaten afkomstig uit Zuid-Amerika. In de afgelopen jaren worden zijdeaapjes steeds vaker gebruikt als modeldieren, naast makaakapen, vanwege hun hoge reproductie, gebruiksgemak vanwege hun kleine formaat en de ontwikkeling van nuttige transgene technieken ^1,2,3. Naast hun bruikbaarheid als ziektemodellen is rijke vocale communicatie binnen groepen een ander uniek kenmerk van deze soort 4,5,6,7. Marmosets wisselen routinematig vocale signalen uit om te communiceren met onzichtbare soortgenoten in het bos. Door de hersenactiviteit te onderzoeken die betrokken is bij vocale waarneming en productie bij zijdeaapjes, kunnen we bepalen hoe ze de auditieve informatie van hun eigen of specifieke oproepen in de hersenen verwerken en identificeren welke neurale circuits erbij betrokken zijn. Eerdere studies hebben neurale activiteit aangetoond in de primaire auditieve cortex 8,9,10,11,12 en frontale cortex ^13,14 die betrokken zijn bij de vocale productie bij zijdeaapjes. Bovendien werden deze opgewonden en onderdrukte neuronale reacties gemoduleerd door auditief-vocale interacties in de primaire auditieve cortex ^8,10. Deze studies leverden gedetailleerde neurale activiteitsgegevens op het niveau van één neuron met behulp van invasieve registratiemethoden. Talrijke studies hebben de neurale activiteit die betrokken is bij de vocale productie van zijdeaapjes verder onderzocht; Vocale perceptie blijft echter slecht begrepen^15,16.

Verschillende niet-invasieve hersenbeeldvormingsonderzoeken hebben de neurale mechanismen van vocale verwerking bij zijdeaapjes opgehelderd 17,18,19; Hun hoge ruimtelijke resolutie is een voordeel, maar om dieren tijdens het scannen in wakkere toestand te houden, zijn geavanceerde technieken nodig. Echter, meer recentelijk, Jafari et al. identificeerden frontotemporale regio’s die betrokken zijn bij vocale perceptie bij wakkere zijdeaapjes met behulp van functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI)¹⁹. Bijna alle experimenten om de hersenfuncties op te helderen die betrokken zijn bij vocale perceptie en productie bij mensen zijn uitgevoerd met behulp van niet-invasieve methoden, zoals elektro-encefalografie van de hoofdhuid (EEG), magneto-encefalografie (MEG)^20,21 en fMRI 22,23,24. Talrijke studies bij mensen hebben hersenactiviteit onderzocht die verband houdt met vocale perceptie met behulp van EEG. De meeste van deze onderzoeken hebben zich gericht op emotionele informatie 25,26,27 en de opvallendheid van emotionele woorden ²⁸, waarbij de resultaten veranderingen in gebeurtenisgerelateerde potentialen tijdens vocale perceptie onthullen²⁹. Elektrocorticografie (ECoG) en opnames van één neuron met behulp van intracraniaal geïmplanteerde elektroden bij mensen zijn alleen uitgevoerd in een beperkt aantal experimenten bij patiënten die een neurochirurgische behandeling ondergaan^30,31.

Een evolutionair perspectief waarin mensen met apen worden vergeleken, is belangrijk bij het begrijpen van de unieke neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan vocale perceptie en productie die zich bij mensen hebben ontwikkeld. Om de neurale mechanismen die betrokken zijn bij spraakperceptie en vocalisatie bij vocaal-rijke niet-menselijke primaten, zoals de zijdeaapje, direct te vergelijken met mensen, is het belangrijk om gegevens tussen de twee soorten te vergelijken met behulp van dezelfde methode. Functionele MRI maakt beeldvorming van de hele hersenen mogelijk en heeft een hoge ruimtelijke resolutie. Het heeft het voordeel dat het activiteit registreert die loodrecht op de schedel staat of in diepe gebieden die moeilijk te registreren zijn met EEG of MEG. De MRI-machine is echter duur om te installeren en te onderhouden, en er zijn veel beperkingen aan de stimuli die kunnen worden gepresenteerd vanwege de aard van het apparaat. Ter vergelijking: EEG, event-related potentials (ERP’s) en MEG hebben een hoge temporele resolutie, waardoor ze nuttig zijn voor het analyseren van vocale verwerking van tijdreeksen. EEG heeft met name de voordelen van een hoge mobiliteit en de mogelijkheid om in verschillende experimentele omgevingen te worden gebruikt, relatief lage kosten en de vereiste voor slechts één operator.

Aangezien er al een grote hoeveelheid EEG-gegevens bij mensen is verkregen, zijn EEG-meetmethoden met behulp van niet-invasieve paradigma’s nodig voor niet-menselijke primaten. Onze onderzoeksgroep ontwikkelde een unieke niet-invasieve EEG-opnamemethode met behulp van buisjes³² voor makaken en zijdeaapjes. Hier rapporteren we verschillende nieuwe bevindingen met betrekking tot auditieve verwerking bij niet-menselijke primaten 33,34,35,36,37. Om de hersenactiviteit te karakteriseren als reactie op soortspecifieke vocalisaties in zijdeaapjes, hebben we een experimenteel systeem geconstrueerd om niet-invasief hersenactiviteit vast te leggen met behulp van elektroden die op de hoofdhuid worden geplaatst. In deze studie beschrijven we de EEG-meetmethode voor zijdeaapjes.